李軍正 張力威 龔宏超 池景冬

(臺州市氣象局，浙江 臺州 318000)

關(guān)于“9·3”雷災(zāi)事故調(diào)查與鑒定結(jié)論的幾點(diǎn)思考

李軍正 張力威 龔宏超 池景冬

(臺州市氣象局，浙江 臺州 318000)

雷電入侵的方式包括直擊雷、側(cè)擊雷、雷擊電磁脈沖，其對設(shè)備設(shè)施的侵害在空間上是完全可能達(dá)到全方位立體的，造成雷電災(zāi)害事故現(xiàn)場也是復(fù)雜多樣化的。因此，在對復(fù)雜的雷災(zāi)事故進(jìn)行調(diào)查與鑒定過程中，有時即使窮盡了直接法、排除法等方法，得到了初步的結(jié)論，但在后續(xù)思考中還會發(fā)現(xiàn)某些方面或現(xiàn)象不能做到完美解釋。本文以一次復(fù)雜的雷擊事故現(xiàn)場為實(shí)例，具體介紹了得出雷災(zāi)結(jié)論的分析全過程，然后根據(jù)此次得出的初步結(jié)論，提出了幾處雷災(zāi)現(xiàn)象無法利用現(xiàn)有雷電理論進(jìn)行合理解釋，希望與各位專家、學(xué)者共同探討、商榷，以期對今后的雷災(zāi)調(diào)查與鑒定工作有所借鑒。

雷災(zāi)事故；調(diào)查與鑒定；思考

0 引 言

雷電是自然界中極為壯觀和重要的大氣現(xiàn)象,伴隨有聲、光、電等多種物理現(xiàn)象，不僅發(fā)生的頻率高,而且年復(fù)一年、永不枯竭[1]。其破壞效應(yīng)包括電效應(yīng)、熱效應(yīng)、機(jī)械力效應(yīng)、沖擊波效應(yīng)、火花效應(yīng)等直接損傷效應(yīng)和靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、輻射電磁場等間接損傷效應(yīng)[2]。在雷電災(zāi)害中，雷擊對象本身的直接經(jīng)濟(jì)損失有時并不是太大，而由此產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)損失和影響就有可能難以估計、非常巨大；充分認(rèn)識雷電危害的嚴(yán)重性對于雷電防護(hù)具有十分重要的意義。到目前為止，對雷電尚無法有效加以控制，人們力所能及的工作是通過實(shí)施積極有效的科學(xué)防雷措施，設(shè)法限制雷擊所造成的破壞作用，將危害減小到盡可能低的程度。雷電災(zāi)害調(diào)查與鑒定是科學(xué)防雷的基礎(chǔ)工作之一，其重要性不言而喻[3，4]；另外，由于浙江省的政策性農(nóng)房保險參保率幾乎已達(dá)100%，因此對于農(nóng)房的雷災(zāi)事故，其調(diào)查與鑒定結(jié)論還涉及到保險公司與農(nóng)戶之間的理賠事宜。

1 “9·3”雷災(zāi)事故實(shí)例

發(fā)生于9月3日午后14：20左右的一次雷擊事故，其現(xiàn)場位置如圖1所示，當(dāng)時雷暴的起止時間大概在14：00—14：30之間，整個過程非常短暫。

圖1 雷擊現(xiàn)場位置示意圖

圖2 A戶雷擊后的現(xiàn)場圖

1)A戶北面是一幢廠房，事發(fā)時站在廠房二樓窗戶邊上的兩位工人先是看到一道閃電劃下來，造成A戶住宅的天面屋脊西側(cè)被擊掉一個角(如圖2)；之后又看見閃電劃過B戶北面窗戶(如圖3)，幾分鐘后B戶四樓北面窗戶和東面窗戶就竄出熊熊大火。據(jù)周邊眾多民眾講述：當(dāng)時的雷電顯得特別詭異，雷聲隆隆接連不斷，感覺就在頭頂上空不斷盤旋，這樣的現(xiàn)象幾乎未見過。

2)B戶建筑為磚木結(jié)構(gòu)的雙坡頂瓦房，室內(nèi)中間位置是樓梯，二至四層均被分隔成南北兩個房間。

四層樓面為木樓板，南北兩個房間均用于出租，其中北面房間是本次雷擊的起火點(diǎn)，也是重災(zāi)區(qū)(如圖3方框處)，整個房間全部過火并且燒毀嚴(yán)重：北面窗戶玻璃已經(jīng)完全熔化，鋁合金窗框熔化率在50%以上且剩余的也是嚴(yán)重扭曲變形。在這個房間的西面墻壁上有兩條平行呈垂直走向的電源線路受損非常嚴(yán)重，且這兩條線路均并聯(lián)接于下面這條水平走向的電源線，其分布示意圖如圖4。

圖3 B戶的建筑外形結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境

圖4 北面房間西面墻壁電源線分布示意圖

1#電源線距離北面窗戶1 m左右，現(xiàn)場實(shí)況如圖5左圖所示。這條線路周邊墻壁被煙熏的痕跡非常少，特別是上端部分連煙熏痕跡都很難看出。但是墻壁上沿著暗敷線路有一條明顯的裂痕，而且頂端還有一大塊墻皮即將脫落；這條電源線原來是帶護(hù)套的兩芯絕緣銅導(dǎo)線，但事故后所看到的，不管是因雷擊裂開的墻內(nèi)部分還是從墻壁引出到燈頭處的外露部分，護(hù)套層和絕緣層均完全氣化，只剩下兩根“亮錚錚”的裸銅線。

2#電源線路現(xiàn)場實(shí)況如圖6的中圖所示?？拷露碎_關(guān)盒處，墻壁上的煙熏痕跡也非常淡，而且只有這一小段的線路墻壁上有明顯的被擊崩處，并且可見兩根"亮錚錚"的裸銅線(如圖6右圖)，在鑿掉旁邊完好的覆蓋層后，發(fā)現(xiàn)墻內(nèi)的絕緣銅導(dǎo)線也只剩下兩根"亮錚錚"的裸銅線。到了上端以后(如圖6左圖)，墻壁上有1處點(diǎn)狀被炸開的地方，此處的電源線以及出墻壁后的外露電源線就有明顯的護(hù)套和絕緣層因高溫灼燒后產(chǎn)生的黑乎乎的物質(zhì)黏在上面。

根據(jù)這兩條并聯(lián)電源線路損壞情況，消防技術(shù)人員給出的結(jié)論是，不管是外露的還是暗敷墻內(nèi)的電源線只剩下錚亮的裸銅線不可能是由火災(zāi)的灼燒和高溫造成的。特別是線路上端損壞現(xiàn)象更是佐證了這一結(jié)論，因?yàn)轫斏细舭寮皺M梁在火災(zāi)中的燃燒是非常嚴(yán)重的，其中隔板幾乎是完全燒光，而外露部分全部纏繞在橫梁上的2#電源線路卻比1#電源線路損壞要輕得多。

圖5 1#電源線路雷擊事故后的實(shí)況

圖6 2#電源線路雷擊事故后的實(shí)況

連接1#與2#電源線開關(guān)盒的是一條水平暗敷的電源總線，大約在這條線路的中間位置也有1處小小的擊崩處，并且可見"亮錚錚"的裸銅線，如圖7。

圖7 水平暗敷電源線雷擊事故后的實(shí)況

3)在這次雷擊事故過程當(dāng)中，除了B戶四樓北面房間由于后續(xù)火災(zāi)原因而無法確認(rèn)是否有雷擊損壞痕跡外，B戶的屋頂及外側(cè)墻體均無任何雷擊痕跡；A戶和B戶及其周邊住宅和廠區(qū)均無任何電子電氣設(shè)備損壞。

2 雷災(zāi)調(diào)查與鑒定過程

2.1 氣象要素的調(diào)查

1)當(dāng)日14時左右，事故區(qū)域受高空槽東

移、與副熱帶高壓西側(cè)西南氣流和地面波動共同影響下出現(xiàn)短時雷雨大風(fēng)的強(qiáng)對流天氣。首先選取調(diào)看了位于雷擊點(diǎn)東北方約5.1km處、西北方約1.8 km處和東南方約2.2 km處3個自動站的氣象要素予以證實(shí)。

2)調(diào)取了13：52—14：34 CR37(組合反射率因子)逐6 min演變過程的雷達(dá)回波圖。CR動畫顯示，13：58—14：22有強(qiáng)回波單體經(jīng)過該地上空，其中14：16對流回波主體經(jīng)過該地，最大反射率因子在58 dBz。但由于該地距離當(dāng)?shù)乩走_(dá)站不到20 km，處于靜錐區(qū)內(nèi)，因此高層回波未能觀測到。另外，據(jù)雷達(dá)回波顯示，當(dāng)時云底高度非常低，幾乎接近地面。

3)調(diào)取了省自動站實(shí)時監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)的閃電定位記錄，以雷擊點(diǎn)為中心，在14:00—14:30時間段內(nèi)，出現(xiàn)的地閃情況如表1。

表1 閃電監(jiān)測情況

2.2 雷災(zāi)鑒定過程中遇到的難點(diǎn)分析

基于以上這些信息和雷電原理，可以得出以下結(jié)論。

1)A戶很明顯是由直擊雷造成的。

2)對于B戶，由于房間內(nèi)遭受過大火的燃燒、消防水的沖刷，又被租客和房東清理打掃過，現(xiàn)場痕跡破壞嚴(yán)重。消防部門已根據(jù)電源線的破壞情況排除了直接火災(zāi)造成這種后果的可能性，結(jié)合當(dāng)時的天氣狀況和民眾所見，初步認(rèn)為這場災(zāi)害極有可能是由雷電引起，進(jìn)而引發(fā)房間大火。由于極其復(fù)雜和罕見的事故現(xiàn)場，無法直接判斷出雷電入侵的方式，考慮到雷電的危害方式主要有直接雷擊、側(cè)擊雷擊、雷擊電磁脈沖效應(yīng)(包括靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、輻射電磁場和閃電電涌)等幾方面，可以利用逐項排除的方法來分析一下。

2.3 排除法的應(yīng)用

2.3.1 排除直接雷擊的可能

由于此幢建筑的天面無任何防雷裝置且無任何雷擊損傷痕跡，因此可以認(rèn)定未遭受過直接雷擊。

2.3.2 排除閃電電涌沿線路侵入的可能

進(jìn)入B戶四樓的線路有電源線和普通的電話線，因此要根據(jù)現(xiàn)場痕跡對閃電電涌通過這兩條線路入侵的可能性分別進(jìn)行排除。

1)排除閃電電涌沿電源線路侵入的可能

B戶家中配電系統(tǒng)垂直分布情況如圖8所示，在整個雷暴天氣過程中，位于一樓總配電箱中的各個斷路器以及電表旁邊的漏保裝置均未發(fā)生斷開跳閘現(xiàn)象，并且一列三樓沒有任何用電設(shè)備損壞、電源線及其所經(jīng)過的墻壁也沒有任何雷擊所留下的痕跡，因此可以排除雷電通過戶外電源線入侵的可能性。

圖8 配電系統(tǒng)垂直分布圖

2)排除閃電電涌沿電話線路侵入的可能

進(jìn)入這個房間的唯一信號線就是一根普通電話線。通信公司的電話分路器是安裝在這戶人家東面外墻靠近南側(cè)轉(zhuǎn)角處(如圖9)，電話線從分路器出來后沿著東側(cè)外墻水平敷設(shè)至北面，然后沿墻垂直向上，從四樓北面窗戶旁進(jìn)入房間。經(jīng)檢查，這條線路的室外部分無任何損傷；另外從電話分路器到其他住戶的入戶線也未受任何影響。綜合這些因素，也可以排除雷電流通過戶外電話線入室造成這種結(jié)果的可能性。

圖9 電話線室外分路器情況

2.3.3 排除電源線回路感應(yīng)過電壓致災(zāi)的可能性

由于在雷擊過程中雷電流的迅速變化，在它周圍空間里會產(chǎn)生變化的電磁場，處于該電磁場中的導(dǎo)體會感應(yīng)出感應(yīng)過電壓。在這個房間里，1#、2#兩條電源線路的外露部分有懸掛纏繞現(xiàn)象(如圖9)，其中1#電源線以懸掛為主，末端在閣樓的木質(zhì)橫梁上纏繞了2圈；而2#電源線是完全纏繞在閣樓的木質(zhì)橫梁上，大概有5～6圈(如圖6和圖10)。

圖10 B戶四樓北面房間電源線路末端懸掛實(shí)況

根據(jù)規(guī)范[5]，當(dāng)線路附近遭受雷擊時，其環(huán)路中最大感應(yīng)電壓可按下式計算，

UOC=μ0·S·(Hmax/T1)

(1)

(1)式中：UOC-環(huán)路開路最大感應(yīng)電壓(V)；

μ0-真空磁導(dǎo)系數(shù)，其值等于4 (V·s)/(A·m)；

S-每個環(huán)路所包圍的面積(m2)；

Hmax-最大磁場強(qiáng)度(A·m)；T1-雷電流的波頭時間(s)。

從圖10可知，2#電源線回路的纏繞圈數(shù)是1#線路的3倍，也就是說2#線路比1#線路的回路所包圍的面積要多，由公式1可知，2#線路比1#線路的所感應(yīng)的暫態(tài)過電壓要大，即使1#線路加上懸掛處所包圍的一點(diǎn)點(diǎn)面積(本來是帶外層護(hù)套的，這樣包圍的面積幾乎可以忽略不計)，也不會超過2#線路面積。如果這次致災(zāi)原因是由線路回路感應(yīng)過電壓引起的，那么在理論上，1#電源線產(chǎn)生的危害至少不會大于2#電源線路。但現(xiàn)場卻是1#電源線路處產(chǎn)生的危害明顯大于2#電源線路。據(jù)此基本可以排除這次雷擊事故是由線路感應(yīng)過電壓引起的。

另外，四樓南面房間和三樓房間里的電源線也都是類似的敷設(shè)方式，而這些線路上卻沒有任何的損傷，這也可以進(jìn)一步證明本次雷擊事故不可能是由線路感應(yīng)過電壓引起的。

2.4 B戶雷災(zāi)的初步結(jié)論分析

在上述排除法分析中，已經(jīng)明確排除了直接雷擊、閃電電涌侵入和感應(yīng)過電壓致災(zāi)的可能性，只剩下側(cè)擊雷擊致災(zāi)的可能性。若是側(cè)擊雷致災(zāi)的可能性成立的話，根據(jù)災(zāi)害現(xiàn)場情況來看，必須要有下列幾種特殊現(xiàn)象發(fā)生作為前提。

2.4.1 雷電的繞擊現(xiàn)象

閃電的繞擊現(xiàn)象是指不管建筑物高度如何，即使安裝了接閃器，當(dāng)碰到比所規(guī)定的雷電流小的電流仍有可能穿越接閃器而擊中物體的可能性。我國規(guī)范規(guī)定，當(dāng)雷電流I小于下列數(shù)值時，即一類防雷建筑I≤5 kA、二類防雷建筑I≤10 kA、三類防雷建筑I≤16 kA、滾球半徑hr=100 m時，I≤34.5 kA，閃電仍有可能穿過或繞過接閃器擊于被保護(hù)物上[5,6]；但是一、二、三類防雷建筑的滾球半徑hr是各個國家和地區(qū)根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展等國情而人為規(guī)定的一個數(shù)值，對于雷電流本身來說是沒有實(shí)際意義。

2.4.2 旁側(cè)閃絡(luò)現(xiàn)象

旁側(cè)閃絡(luò)是指雷電并未直接擊中受害物(或人)，而是擊中其附近的物體并使其產(chǎn)生高電位，若這個物體沒有良好的泄流途徑，雷電流就會通過擊穿空氣或沿木材、磚石等非金屬材料的表面向受害物(或人)閃擊放電，從而傷及受害物(或人)[7]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，對于電阻壓降，空氣擊穿強(qiáng)度約為500～600 kV/m，電感壓降對空氣擊穿強(qiáng)度則為1000～1200 kV/m；沿木材、磚石等非金屬材料的表面擊穿強(qiáng)度為上述兩種電壓強(qiáng)度的一半，約為250、500 kV/m。

2.4.3 雷擊的可能性環(huán)境分析

1)B戶建筑的周邊范圍沒有比它明顯高大的其他建構(gòu)筑物；

2)B戶是這幢民房的東側(cè)位置，四樓北面房間就靠在東北檐角，而以往眾多的雷擊事故中均表明這些部位都是最易遭受雷擊的；

3)B戶四樓北面的大窗戶為鋁合金材料，并且房東還在鋁合金窗兩邊的外墻側(cè)各安裝了1支鐵支架用于晾曬物件(如圖11)，而其鄰居家未安裝。這些金屬材料及其形狀無疑給雷云放電提供了良好的發(fā)生畸變電場條件。

2.4.4 B戶致災(zāi)的可能性原因分析和初步性結(jié)論推斷

由上述相關(guān)資料及分析可知：

1)由表1可知，本次監(jiān)測到的地閃全都是小電流雷電，這是雷電發(fā)生繞擊現(xiàn)象的先決條件；

2)建筑是磚木結(jié)構(gòu)，無鋼筋立柱，相當(dāng)于沒用良好的泄流途徑，這是雷電發(fā)生旁側(cè)閃絡(luò)現(xiàn)象的先決條件；

3)B戶所處的位置、環(huán)境以及外側(cè)的金屬物體，這些都大大增加了建筑遭受雷擊的概率。

那么，根據(jù)以上分析及雷電原理，對B戶致災(zāi)的可能性原因作出如下推斷。

由于房子為磚木結(jié)構(gòu)，既沒有鋼筋混凝土立柱，也無任何人工接地措施；當(dāng)小電流閃電發(fā)生繞擊現(xiàn)象而側(cè)擊于四樓北面的鋁合金窗戶或者窗外的鐵支架時，由于周圍沒有良好的接地通道，雷擊電流在沿著磚墻進(jìn)行強(qiáng)制無序地泄流過程中，與接地良好且離窗戶最近的電源線發(fā)生旁側(cè)閃絡(luò)現(xiàn)象(閃擊放電)，從而侵入到電源線中；在雷電流的電效應(yīng)、熱效應(yīng)、機(jī)械力效應(yīng)等共同作用下，造成電源線自身及墻壁的嚴(yán)重?fù)p壞。

3 關(guān)于這次雷災(zāi)結(jié)論的幾點(diǎn)思考

對于這次“9·3”雷擊事故的調(diào)查與鑒定結(jié)過程，是經(jīng)過了反復(fù)探討研究后作出的，有的是證據(jù)確鑿、結(jié)論明確，但是還有不如人意的的地方，特別是對B戶所得出的結(jié)論的一部分論據(jù)建立于推斷基礎(chǔ)之上，無法提取確鑿的證據(jù)和事實(shí)來充分證明這個過程。

對于本次雷災(zāi)出現(xiàn)的下列現(xiàn)象，是基于如下雷電原理考慮的：

1)A戶屋脊在遭受直擊雷擊的情況下而受損的位置卻那么小，這側(cè)面證明了它是僅遭受到小電流雷擊，與表1所列的閃電定位儀監(jiān)測到數(shù)據(jù)相一致；

2)A戶很明顯是遭受過直接雷擊，但是它卻沒有出現(xiàn)像B戶那樣的嚴(yán)重后果，主要是由于A戶的建筑為框剪結(jié)構(gòu)(圖2中清晰可見鋼筋材料)，當(dāng)小電流雷電直接擊中建筑天面時，雷電流就可以非常迅速地通過立柱鋼筋泄流入地，而未造成更多的損失；

3)對于B戶雷電流在入侵電源線后并未沿著線路殃及更多的地方，應(yīng)該是由于小電流雷電在破壞線路和墻壁的情況下就已將大部分電能轉(zhuǎn)化成了機(jī)械能和熱能，致使能量較快耗盡；

4)B戶所在建筑只有四層樓高，到屋脊的高度也不會超過20 m，在這種情況下一般是不會發(fā)生側(cè)擊現(xiàn)象的；就本次雷擊事故的特殊性而言，應(yīng)該是由于小電流雷電發(fā)生繞擊現(xiàn)象而產(chǎn)生的側(cè)擊，也就是說小電流雷電繞過了B戶建筑天面上的任何物體，包括屋脊、屋角、屋檐、檐角等部位，而擊于建筑側(cè)面位置。

另外，由于我們?nèi)祟愔两裎茨芡耆莆绽纂娫砑皺C(jī)理，有些現(xiàn)象還無法得到相應(yīng)的解釋。若是假設(shè)對B戶作出的結(jié)論是正確的，那么下列現(xiàn)象就需要更深入的研究和思考。

1)對于B戶四樓北面房間電源線損傷原因，雖然當(dāng)?shù)叵啦糠址浅Ｃ鞔_地表示家用電源(50Hz，220V)在這樣的線路上發(fā)生短路現(xiàn)象是很難產(chǎn)生如此嚴(yán)重破壞力，同時還要使得1#、2#兩組電源線同時發(fā)生短路，并且一樓電表處的剩余電流保護(hù)器和配電箱的空氣開關(guān)這兩級自動保護(hù)裝置都不跳閘。那么，是否有可能在某種特殊情況下會發(fā)生這樣的現(xiàn)象呢？

2)對于B戶，小雷電流是通過旁側(cè)閃絡(luò)現(xiàn)象進(jìn)入電源線的，其能量也可能很快耗盡，但損害范圍就在這不到4 m2范圍內(nèi)的電源線路上，這在以往的雷災(zāi)實(shí)例中并未見過；

3)本次雷擊事故中還出現(xiàn)非常奇特的現(xiàn)象，假如對B戶所作的結(jié)論是完全正確的話，那么相當(dāng)于A戶和B戶都是遭受過直接雷擊，但是A戶和B戶及其周邊的住宅和廠區(qū)均無任何電子電氣設(shè)備損壞(除了B戶四樓北面房間因火災(zāi)原因無法確認(rèn)外)，特別是B戶出現(xiàn)的情況，不但自家的四樓南面房間和三樓北面房間內(nèi)的家用設(shè)備無任何損壞，連隔壁的四樓北面房間也無任何損失，為什么電磁感應(yīng)效應(yīng)和輻射電磁場效應(yīng)在這次雷擊事故中均未得到有效的表現(xiàn)？

4 結(jié) 語

迄今為止，人類對雷電的認(rèn)知還是建立在大量的假說學(xué)基礎(chǔ)之上的，即使在近幾十年來隨著對閃電探測手段的提高，世界各國在雷電研究方面取得了豐碩的成果，但對雷電的形成機(jī)制、活動規(guī)律等方面仍然無法了解透徹，就如最基本的雷雨云起電原理至今還在各種假說討論之上。由于雷電自身和受災(zāi)對象具有的多樣性和復(fù)雜性特點(diǎn)，造成危害的現(xiàn)象也是千差萬別的，因此很難做到每種雷災(zāi)現(xiàn)象都能用現(xiàn)有的理論做到完美解釋。在文中所述例子中，統(tǒng)籌考慮了消防部門的官方結(jié)論后，并窮盡了直接法、排除法等方法對這次雷擊事故進(jìn)行鑒定并得出初步結(jié)論，但反過來進(jìn)行思考，發(fā)現(xiàn)還是有幾點(diǎn)現(xiàn)象在現(xiàn)有雷電理論下是很難予以解釋清楚，我們將此提出，希望與各位專家、學(xué)者進(jìn)行商榷、探討，有助于進(jìn)一步提高防雷技術(shù)，也希望對今后的雷災(zāi)調(diào)查與鑒定過程能有一定的借鑒作用，使防雷技術(shù)不斷跨上新臺階。

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2016-12-30